匡哲君，師唯佳，胡 亮，周 航

（1.吉林大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春130012；2.羅格斯新澤西州立大學(xué) 教育研究與學(xué)術(shù)規(guī)劃處，新布倫斯威克 新澤西州 美國(guó)08901；3.吉林大學(xué) 數(shù)學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春130012）

0 引 言

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期的定義很多，通常認(rèn)為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期是從正常工作到出現(xiàn)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)能量耗盡為止為一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。在傳感器節(jié)點(diǎn)通信的過(guò)程中，一般由多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，然后由底向上進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯聚。也就是說(shuō)，數(shù)據(jù)收集后的多個(gè)節(jié)點(diǎn)向一個(gè)或者少部分的匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)多跳路由的機(jī)制，一般由邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，然后由匯聚節(jié)點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。在這種過(guò)程中容易出現(xiàn)“中心擁擠效應(yīng)”［1］，也就是通常所說(shuō)的“能量洞”問(wèn)題［2］。這種問(wèn)題是由于匯聚節(jié)點(diǎn)附近的鄰節(jié)點(diǎn)能提前耗盡，使得邊緣節(jié)點(diǎn)還有能量卻無(wú)法將數(shù)據(jù)發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)［3］提出了移動(dòng)代理的機(jī)制，移動(dòng)代理節(jié)點(diǎn)代替靜態(tài)的匯聚節(jié)點(diǎn)能夠移動(dòng)到節(jié)點(diǎn)附近進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。當(dāng)移動(dòng)到匯聚節(jié)點(diǎn)附近再將接受到的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)下，節(jié)點(diǎn)只需要與移動(dòng)代理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單跳的數(shù)據(jù)傳輸，而移動(dòng)代理節(jié)點(diǎn)對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)也同樣是單跳進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。這樣就減輕了節(jié)點(diǎn)由于作為中繼節(jié)點(diǎn)所消耗的能量。這種結(jié)構(gòu)是在移動(dòng)代理節(jié)點(diǎn)的能量非常大的假設(shè)條件下進(jìn)行的。文獻(xiàn)［4］論證了移動(dòng)代理的移動(dòng)規(guī)律，通過(guò)移動(dòng)規(guī)律和停留時(shí)長(zhǎng)來(lái)延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，其框架應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以網(wǎng)格模式進(jìn)行考慮，過(guò)于單一。文獻(xiàn)［5］表明，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的消耗取決于匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的范圍和匯聚節(jié)點(diǎn)最短的停留時(shí)間，并且當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到下一站時(shí)，模型定義了跳寬；同時(shí)，作者提出了一種MILP的方法來(lái)取得移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)移動(dòng)路徑和最適合的停留時(shí)間來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)生命周期。文獻(xiàn)［6］表明，移動(dòng)代理在邊緣點(diǎn)附近移動(dòng)可以提高整體網(wǎng)絡(luò)的生命周期，文中假設(shè)如果移動(dòng)代理節(jié)點(diǎn)能夠調(diào)整整體網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載平衡，這樣可以提高整體網(wǎng)絡(luò)生命周期；作者以負(fù)載中的節(jié)點(diǎn)作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，降低惡劣節(jié)點(diǎn)負(fù)載不平衡的問(wèn)題。由于假設(shè)環(huán)境是在最短路徑下進(jìn)行的，網(wǎng)絡(luò)生命周期提升的效果并不明顯。隨著移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)生，在不考慮監(jiān)測(cè)環(huán)境的空間復(fù)雜度和節(jié)點(diǎn)停留的基礎(chǔ)上，很難進(jìn)行移動(dòng)路徑的規(guī)劃。文獻(xiàn)［7］研究了如何找出移動(dòng)路徑的最短停留時(shí)間和停留時(shí)間表。如果監(jiān)測(cè)區(qū)的停留時(shí)間不受到約束，就會(huì)成為一個(gè)NP 問(wèn)題。然而停留在一個(gè)有限的已知區(qū)域，這樣問(wèn)題就可以轉(zhuǎn)化成為一種線(xiàn)型。作者提出一種接近算法，將監(jiān)測(cè)區(qū)看作無(wú)限的未知區(qū)域。這樣就能將無(wú)限的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為有限的問(wèn)題，然而一個(gè)好的逼近問(wèn)題需要消耗大量的計(jì)算資源及能耗。文獻(xiàn)［8－10］在節(jié)點(diǎn)功耗管理方面提出了優(yōu)化的策略。文獻(xiàn)［11］提出了一種分簇式自主移動(dòng)機(jī)制，該機(jī)制設(shè)定匯聚節(jié)點(diǎn)單跳鄰居節(jié)點(diǎn)集的數(shù)據(jù)流量發(fā)生較大變化時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)開(kāi)始移動(dòng)。文獻(xiàn)［12］根據(jù)移動(dòng)的特性，即移動(dòng)節(jié)點(diǎn)只能在若干個(gè)小的區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，得出網(wǎng)絡(luò)生命周期的延長(zhǎng)不僅依賴(lài)于停留時(shí)長(zhǎng)，還需要考慮流量。

本文通過(guò)應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t容忍級(jí)別，利用移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行周期性的數(shù)據(jù)收集。移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)延遲容忍策略能夠緩解網(wǎng)絡(luò)中的“能量洞”問(wèn)題，并且在延遲容忍的基礎(chǔ)上，能夠很大程度上降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎?，達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的效果。

1 匯聚節(jié)點(diǎn)能耗模型

1.1 靜態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)

對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗進(jìn)行分析，首先需要了解靜態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)下的能量消耗與數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)系。設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)集合為N。假設(shè)所有的傳感器節(jié)點(diǎn)都是隨機(jī)散落在以R 為半徑的圓形區(qū)域內(nèi)。以圓形區(qū)域的中心作為起點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)i以固定比例生成數(shù)據(jù)di且i的初始能量為Ei。此外，節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)傳輸距離來(lái)調(diào)整傳輸功率。節(jié)點(diǎn)i向j發(fā)送固定比例的通信量速率Xij，在一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)所需要的能量可以表示為：

式中：dis（i，j）為節(jié)點(diǎn)i與j的歐幾里得距離；α和β為非負(fù)數(shù)常量；e為路徑的損耗指數(shù)，一般來(lái)說(shuō)，e的范圍為2～6，e值的選取主要取決于監(jiān)測(cè)的環(huán)境。

單位數(shù)據(jù)的傳輸能耗不依賴(lài)于鏈路速率，而是取決于有效的低速率機(jī)制。因此，假設(shè)相比于無(wú)線(xiàn)鏈路速率，通信量速率Xij足夠小。節(jié)點(diǎn)i單位時(shí)間內(nèi)接收到節(jié)點(diǎn)k 發(fā)送的數(shù)據(jù)能耗可以表示為：

式中：γ為給定的一個(gè)常量。

節(jié)點(diǎn)i在一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)總的能耗可以表示為：

1.2 移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)

在移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)模型中，假設(shè)匯聚節(jié)點(diǎn)可以在傳感器監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行移動(dòng)，并且可以在特定的區(qū)域進(jìn)行停留來(lái)與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。假設(shè)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有相同的傳輸范圍，I 表示為匯聚節(jié)點(diǎn)。在本文中，設(shè)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)I屬于一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)（不同于其他節(jié)點(diǎn)），可以表示為I ?N。設(shè)L 為匯聚節(jié)點(diǎn)停留的位置節(jié)點(diǎn)集合。為了提高網(wǎng)絡(luò)生命周期，匯聚節(jié)點(diǎn)沒(méi)有必要在所有的L位置上進(jìn)行停留。假設(shè)在不考慮匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)間的條件下，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，可以通過(guò)明確的數(shù)學(xué)解法來(lái)進(jìn)行評(píng)估。

在此模型中，節(jié)點(diǎn)的訪問(wèn)順序?qū)W(wǎng)絡(luò)的整體生命周期并不會(huì)帶來(lái)太大的影響。匯聚節(jié)點(diǎn)在一個(gè)位置I∈L 的停留時(shí)間可以表示為ZI，也就是說(shuō)匯聚節(jié)點(diǎn)使用I時(shí)間對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。因此，整體的生命周期為當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)停于I 位置，節(jié)點(diǎn)i的下游鄰節(jié)點(diǎn)可表示為：

移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的停留時(shí)間需要根據(jù)流量來(lái)制定。根據(jù)之前靜態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的基本感知數(shù)據(jù)流量的聚合和靜態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)聚合的基本理論，將移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的條件進(jìn)行迭代。用X（I）ij表示移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)在I 站點(diǎn)停留時(shí)節(jié)點(diǎn)i到j(luò) 的數(shù)據(jù)流聚合。最大網(wǎng)絡(luò)生命周期可以表示為：

式（7）表示所有的匯聚節(jié)點(diǎn)在i位置是流量守恒的。式（8）表明所有的節(jié)點(diǎn)i的能耗必須少于或等于初始能量Ei，即能量是守恒的。通過(guò)將式（7）乘以ZI，并且用新的參數(shù)替換，有：

同理，式（8）可轉(zhuǎn)換為：

2 移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)延遲容忍策略

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化是建立在應(yīng)用層面的延遲容忍條件基礎(chǔ)上的。一般將這種模型稱(chēng)之為延遲容忍模型。假設(shè)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠延遲到移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)停留在最有利的位置之后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，這樣使得收發(fā)同樣數(shù)據(jù)量時(shí)能耗達(dá)到最小，從而延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

設(shè)D 為最大延遲容忍，或者是最高延遲級(jí)別。假設(shè)在D 個(gè)單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)能夠完成所有停留節(jié)點(diǎn)的一輪訪問(wèn)，并且在適當(dāng)?shù)恼军c(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，以此為周期進(jìn)行重復(fù)。

延遲容忍模型相比于靜態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)模型和移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)模型在延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。如圖1所示，N1和N2為兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，L1和L2為移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的備用站點(diǎn)。為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，忽略節(jié)點(diǎn)收發(fā)的能量消耗，并且假設(shè)一個(gè)單位量的數(shù)據(jù)傳輸耗能為收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間距離的平方。在初始環(huán)境下，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始能量都為100單位量，初始基本感知數(shù)據(jù)為1bit／s。如果在靜態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)模式下，匯聚節(jié)點(diǎn)將處于O 位置并保持不變。那么1bit的數(shù)據(jù)傳輸能耗約為4個(gè)單位量。也就是說(shuō)從開(kāi)始到節(jié)點(diǎn)衰竭，其網(wǎng)絡(luò)周期約為25s。同樣的環(huán)境，在動(dòng)態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)模式下，由于是對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)會(huì)周期性地停留在L1和L2進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種情況之下，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要消耗1個(gè)單位或者9個(gè)單位能量來(lái)傳輸1bit的數(shù)據(jù)量。無(wú)論移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)停留在L1還是L2。也就是說(shuō)平均能耗約為5個(gè)單位量，其網(wǎng)絡(luò)生命周期約為20s。

圖1 靜態(tài)節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)匯聚點(diǎn)的假設(shè)Fig.1 Assuming static and mobile sink node

在延遲移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)模式下，假設(shè)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)在每一個(gè)站點(diǎn)都停留1s的時(shí)間，且周期性地重復(fù)。在此情況下，最大延遲D＝2s。當(dāng)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)停留在L1位置時(shí)，只有N1與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并傳輸2bit的數(shù)據(jù)。當(dāng)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)停留至L2位置時(shí)，只有N2與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信，同樣傳輸2bit的數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，當(dāng)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)與N1在L1位置上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，N2只是進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集并將數(shù)據(jù)放入緩沖池，等到移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)至L2時(shí)，再將采集來(lái)的所有數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。如此一來(lái)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)只需要使用2個(gè)單位能量就能傳輸2bit的數(shù)據(jù)，其生命周期約為100s。相比于靜態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)模型，網(wǎng)絡(luò)的生命周期延長(zhǎng)非常顯著。這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)并不是需要持續(xù)地與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的。在移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)停留時(shí)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要等待匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)至最有利的位置才進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

延遲容忍模型中，可以通過(guò)局部子區(qū)域的方式對(duì)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。設(shè)N 為傳感器節(jié)點(diǎn)集合，RI為N 的子集并且只有RI區(qū)域的節(jié)點(diǎn)與停留在I 站點(diǎn)的匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，I ∈L?？梢詫I稱(chēng)為站點(diǎn)I 的覆蓋區(qū)域。所有I站點(diǎn)RI的集合應(yīng)該為N。也就是說(shuō)，所有傳感器節(jié)點(diǎn)都至少能夠有一個(gè)站點(diǎn)與其進(jìn)行通信。當(dāng)節(jié)點(diǎn)i在RI的范圍內(nèi)，則節(jié)點(diǎn)i就是站點(diǎn)i的區(qū)域節(jié)點(diǎn)（I∈L）。設(shè)r為匯聚節(jié)點(diǎn)的適合通信半徑。對(duì)所有的I屬于L 來(lái)說(shuō)，如果dis（i，l）≤r且i∈N，則i∈RI。因此，匯聚節(jié)點(diǎn)的通信半徑必須足夠大，保證至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)在RI的范圍內(nèi)。r半徑的最小值取決于移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)停留的位置。

節(jié)點(diǎn)i基本感知數(shù)據(jù)的生成和數(shù)據(jù)的傳輸速率在靜態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)和動(dòng)態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)模式下是一樣的，不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的堆積。然而在延遲容忍模型中，數(shù)據(jù)收集的速率與出具傳輸?shù)乃俾什灰粯?。?dāng)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)沒(méi)有移動(dòng)到合適節(jié)點(diǎn)i的傳輸站點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)i不進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，卻需要將收集來(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至緩沖區(qū)，在周期性產(chǎn)生基本感知數(shù)據(jù)的同時(shí)，等待匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到合適的站點(diǎn)，然后將新舊數(shù)據(jù)一起傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。因此，節(jié)點(diǎn)i的緩沖區(qū)空間應(yīng)該為Ddi。假設(shè)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)按一定順序訪問(wèn)所有L里的站點(diǎn)1→2→3→…→｜L｜→1…。根據(jù)流量移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)可能在某些站點(diǎn)不停留，如果網(wǎng)絡(luò)的生命周期為T(mén)，那么實(shí)際移動(dòng)節(jié)點(diǎn)工作的時(shí)間為T(mén)D。緩沖區(qū)能夠有效地幫助延遲容忍模型來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，但是需要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的需求來(lái)制定不同的緩沖策略。

2.1 子流模式

在此模型中，覆蓋區(qū)域RI的節(jié)點(diǎn)不需要緩存其他節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)信息，節(jié)點(diǎn)在RI區(qū)域接收到其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，將立即發(fā)送給相鄰節(jié)點(diǎn)。在這種模式條件下的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)i需要區(qū)分節(jié)點(diǎn)i 自身生成的數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)接收到其他相鄰節(jié)點(diǎn)初始生成的數(shù)據(jù)。

節(jié)點(diǎn)i∈N，基本感知數(shù)據(jù)或子流量的其他節(jié)點(diǎn)C ∈RI，C ≠i，則必須接收后盡快地轉(zhuǎn)發(fā)出去，可以得到：

在此，定義NI（i）＝R∩N（i，I）。在式（5）里給出了N（i，I）。與移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)模式的理論一樣，通信流量起源于節(jié)點(diǎn)i本身，并且加入了新的決策變量；I∈L，i∈RI），節(jié)點(diǎn)i的數(shù)據(jù)流量守恒可以表示為：

在移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)前一次離開(kāi)后，在緩沖區(qū)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量需要在當(dāng)前周期被傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)，并清空緩沖區(qū)?？杀硎緸椋?/p>

基于子流模式的延遲容忍可表示為：

上述是根據(jù)周期性產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)的基本感知數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行解決的，與靜態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)模型問(wèn)題相似，還有一種更為簡(jiǎn)單、類(lèi)似的流量聚合方案，它僅限于聚合擁堵數(shù)據(jù)量I。相 反 地，對(duì) 于聚合 方 案 的 可 行 性 解，可 以 將看作匯聚節(jié)點(diǎn)停留在I時(shí)對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)i的支持度。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)i可以分解由基本感知產(chǎn)生的擁堵數(shù)據(jù)量，其路徑流量為。因此，為可行性解。

2.2 隊(duì)列模式

在隊(duì)列模式中，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠緩存其他節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，設(shè)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)從I位置移動(dòng)到I＋1之前，節(jié)點(diǎn)i的隊(duì)列長(zhǎng)度為。假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)i在周期開(kāi)始時(shí)的數(shù)據(jù)量為Ddi，并且隊(duì)列為當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)完成一個(gè)循環(huán)，節(jié)點(diǎn)i的隊(duì)列數(shù)據(jù)必須清空，即。在此模式下，根據(jù)流量守恒其動(dòng)態(tài)的序列長(zhǎng)度公式為：能量約束與之前的模式相同，可以通過(guò)將代入，并引入新的變量u＝1／T，將優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化成為一個(gè)線(xiàn)性問(wèn)題。這種線(xiàn)性方法也同樣適用于子流模式。

這兩種模式以公式化的形式表示了緩沖區(qū)的兩種策略。子流模式緩沖區(qū)存儲(chǔ)的是節(jié)點(diǎn)自身產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，而隊(duì)列模式的緩沖區(qū)允許存儲(chǔ)任何數(shù)據(jù)，隊(duì)列模式能夠根據(jù)不同的策略來(lái)調(diào)整，達(dá)到延長(zhǎng)生命周期的效果。兩種模式可以看作是兩種極端，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整緩沖區(qū)策略。在子流模式中最大空間區(qū)為節(jié)點(diǎn)i的Ddi。而隊(duì)列模型中的最大緩沖區(qū)空間由覆蓋區(qū)域的總節(jié)點(diǎn)數(shù)和覆蓋面積來(lái)決定，其緩沖區(qū)需要的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于子流模型。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)靜態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)和延遲移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的策略在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的Matlab下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。本文嘗試了不同的參數(shù)，例如節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，可能的接收器的位置和參數(shù)的能耗模型的數(shù)目。在所有的實(shí)驗(yàn)中，本文使用GLPK 求解線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)為｛100，200｝，匯聚節(jié)點(diǎn)站點(diǎn)數(shù)為｛5，6，7，8，9，10，15，20，30｝，路徑能源消耗比為｛2，3｝，初始能量為500J，數(shù)據(jù)收集速率為500bit／s。

根據(jù)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的位置來(lái)比較各種模型的網(wǎng)絡(luò)生命周期。節(jié)點(diǎn)的數(shù)量設(shè)置為100或200，路徑損耗指數(shù)e為2或3。覆蓋區(qū)域半徑設(shè)置得足夠大，且總是覆蓋整個(gè)傳感器領(lǐng)域。通過(guò)多次循環(huán)實(shí)驗(yàn)，移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)模型和移動(dòng)延遲容忍模型的生命周期明顯比靜態(tài)匯聚點(diǎn)模型的生命周期長(zhǎng)。如圖2所示，移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)模型的生命周期為靜態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)模型的100%～200%。而移動(dòng)延遲容忍模型的網(wǎng)絡(luò)生命周期與靜態(tài)匯聚模型相比，提高了200%～1000%。此外，可以看出網(wǎng)絡(luò)生命周期的延長(zhǎng)曲線(xiàn)為線(xiàn)性增長(zhǎng)，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的停留位置增多，算法性能差距可能更大。

圖2 相對(duì)生命周期對(duì)比Fig.2 Comparison of relative lifetime

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種基于移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的方式來(lái)延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)模型的生命周期為靜態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)模型的100%～200%。而移動(dòng)延遲容忍模型的網(wǎng)絡(luò)生命周期與靜態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)模型相比，提高了200%～1000%。延遲容忍模型相比傳統(tǒng)的靜態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)模型，在延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的效果上有顯著的提升。然而，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，匯聚節(jié)點(diǎn)的通信半徑的增大，延遲容忍模型也存在相應(yīng)的問(wèn)題。延遲容忍模型需要大量的緩沖空間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，提高了對(duì)節(jié)點(diǎn)緩沖空間的要求。因此，如何有效地利用節(jié)點(diǎn)緩存空間，以及移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的合理路徑規(guī)劃問(wèn)題也是今后需要研究的一個(gè)重要方向。

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